JPH05249506A - 光スイッチ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 光信号、光信号処理等に用いる液晶を用いた
光路切替形の光スイッチを提供する。 【構成】 相対向する表面に透明電極１１を有した二枚
のガラス基板間１２、１２に、カイラルネマティック液
晶１４を狭持してなる液晶セル１５と、当該液晶セル１
５に信号光１６を入射する第一の導光路としての入力用
光ファイバ１７と、前記液晶セル１５からの反射光及び
透過光を取り出す位置に配置された第二の導光路及び第
三の導光路としての出射用光ファイバ１８、１９とを具
備してなり、前記透明電極間の電界又は磁界を変化させ
てコレステリック−ネマティク相転移を制御することに
よって、前記第一の導光路１７から入射した信号光１６
を第二の導光路１８と第三の導光路１９との間で切り替
える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光信号、光信号処理等
に用いる光スイッチに関し、特に、液晶を用いた光路切
替形の光スイッチに関する。

【０００２】

【従来の技術】液晶を用いた光路切替形の光スイッチは
既にいくつかの試みが周知である。それらの光路切替の
原理は、大別して、（１）ＴＮ液晶セルによる偏光面の
回転効果と偏光ビームスプリッタや複屈折性を示す光学
結晶とを組み合わせて光路を切り替える方法と、（２）
液晶の屈折率異方性と液晶／基板界面での全反射効果を
利用して光路を切り替える方法とに分けられており、代
表的な実施例が次の文献に記載されている。 １．上記（１）の光スイッチの例としては、R.E.Wagner
他著、Appl. Opt.,19 巻(1980 年) 、2921頁に開示され
ている。 ２．上記（２）の例としては、R.A.Kashnow 他著、App
l. Opt.,12 巻(1973 年)、2309頁に開示されている。

【０００３】この従来の（１）の光スイッチの一例を図
４を参照して説明する。第４図は上記（１）の基本的原
理を示す概略図であり、同図中、０１は入射光、０２、
０７は偏光ビームスプリッタ、０３は垂直偏光、０４は
水平偏光、０５は水平偏光を全反射する全反射ミラー、
０６はＴＮ形の液晶セル０８、０９は出射光を各々図示
する。

【０００４】同図に示すように、入射光０１は偏光ビー
ムスプリッタ０２により垂直偏光０３と、水平偏光０４
に分けられ、水平偏光は全反射ミラー０５を介してＴＮ
形の液晶セル０６を透過し、垂直偏光０３はそのまま液
晶セル０６を透過する。液晶セル０６に電圧を加えない
と、垂直偏光０３、水平偏光０４とも偏光面が回転し、
偏光ビームスプリッタ０７を経て、出射光０８の光路と
なる。一方、液晶セル０６に電圧を印加すると、偏光面
は回転しないので垂直偏光０３、水平偏光０４とも偏光
面が回転せずに液晶セル０６を透過し、偏光ビームスプ
リッタ０７を経て、出射光０９の光路となる。即ち、液
晶セル０６への電圧印加の有無によって出射光０８と出
射光０９の間で光路を切り替えることができる。

【０００５】また、上記（２）の基本的な原理は、透明
電極を塗布したガラス基板間に水平配向されたネマティ
ク液晶を充填し、電圧非印加時にはその界面で全反射を
生じる角度で光を入射し、液晶に電圧を印加して垂直配
向させた場合には、光は液晶セルを透過するようにした
ものである。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、これらの従来
技術では次のような問題があった。即ち、上記（１）の
原理では、液晶セル以外に偏光ビームスプリッタ等の光
学部品をアセンブルする必要があるが、これらの光学部
品は高価であること、複数の偏光ビームスプリッタおよ
びミラーの平行度を保証しかつ分離された２つの偏光の
光学的距離を一致させるように多数の光学部品の精密な
位置合わせが必要なこと等、経済性及び量産性を阻害す
る要因が多い。

【０００７】また、上記（２）の原理では、液晶の複屈
折率が大きくかつ水平配向と垂直配向の屈折率の中間に
透明電極やガラスの屈折率がこなければならないこと、
全反射と透過の両条件を満足するために入射角の制限が
厳しく、かつ角度の精密な位置合わせが必要なこと等の
制約が大きい。特に、現状では高い光学特性を満足の出
来る液晶材料が得られないこと、アセンブリコストが高
いこと等欠点が多い。

【０００８】本発明は、上記問題を解決するためになさ
れたもので、高価な光学部品や精密なアセンブル工程を
必要とせず、また液晶材料の光学特性に厳しい必要条件
のない液晶を用いた光スイッチを提供することを目的と
する。

【０００９】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成する本発
明に係る第一の光スイッチの構成は、対向する表面に透
明電極を有した二枚の基板間に、カイラルネマティック
液晶あるいはコレステリック液晶を狭持した液晶セル
と、該液晶セルに信号光を入射する第一の導光路と、前
記液晶セルからの反射光及び透過光を取り出す位置に配
置された第二の導光路及び第三の導光路とを少なくとも
具備してなり、前記透明電極間の電界または磁界を変化
させてコレステリック−ネマティク相転移を制御するこ
とによって、前記第一の導光路から入射した信号光を第
二の導光路と第三の導光路の間で切り替えることを特徴
とする。

【００１０】また、本発明に係る第二の光スイッチの構
成は上記第一の光スイッチにおいて、前記液晶セルがコ
レステリック相の場合は、前記液晶セルに導入した光の
反射光は第一の円偏光であり、かつ透過光は第二の円偏
光であって、該第一の円偏光を第二の円偏光に交換し
て、前記液晶セルに再入射する手段と、前記液晶セルを
透過した第二の円偏光を第一の円偏光に変換して、前記
液晶セルに再入射する手段とを具備してなり、該再入射
された第一および第二の円偏光は前記液晶セル内で合波
されて出射されることを特徴とする。

【００１１】尚、前記第一の構成に係る光スイッチにお
いて、前記コレステリック−ネマティク相転移を、液晶
セルに印加される電界の大小、あるいは周波数の大小を
制御することによって行うようにしてもよい。

【００１２】

【作用】前述の手段によれば、本発明の光スイッチはコ
レステリック液晶またはカイラルネマティック液晶を充
填した液晶セルの光学的性質を用いるものであり、周知
のように、プレーナ配向されたコレステリック相は、特
定波長領域の光に対し円偏光フィルタの役割を果たし、
例えば、右旋性コレステリック相の場合には右円偏光は
反射し、左円偏光は透過する性質を有する。一方、これ
に電界または磁界を加えて、コレステリック−ネマティ
ク相転移を生ぜしめてネマティク相にすると、両円偏光
とも透過する。即ち、コレステリック液晶の旋回方向と
同じ方向に円偏光を信号光として入射すると、その後の
光路がコレステリック相の場合は反射、ネマティク相の
場合は透過となり光路切替ができることが基本原理であ
る。また、この基本原理と円偏光の回転方向を変更する
手段とを複数組み合わせて、非偏光入射光に対しても光
スイッチを実現できる。

【００１３】以上の作用から解るように、本発明は従来
の偏光面の回転や液晶の屈折率異方性を光路切替を原理
としたものとは異り、本発明はコレステリック相のヘリ
カル構造に起因した円偏光の選択反射効果と、コレステ
リック−ネマティク相転移との組合せを光路切替の原理
とするものである。

【００１４】

【実施例】以下、本発明の好適な実施例を図面を参照に
して詳細に説明する。 （実施例１）図１は第１の実施例に係る光スイッチの概
略図である。同図に示すように、第１の実施例に係る光
スイッチ１０は、相対向する表面に透明電極１１、１１
を有した二枚のガラス基板１２、１２の間に、配向膜１
３を介してカイラルネマティック液晶１４を狭持して構
成される液晶セル１５と、この液晶セル１５に信号光１
６を入射する第一の導光路としての入力用の光ファイバ
１７と、前記液晶セル１５からの反射光及び透過光を取
り出す位置に配置された第二の導光路としての出力用光
ファイバ１８、１９とを具備するもので、一系統の入力
と二系統の出力とを有するものである。

【００１５】前記構成に係る光スイッチ１０で使用した
材料としては、例えばガラス基板１２には石英を、透明
電極１１にはスパッタ成膜したＩＴＯ膜を、配向膜１３
には表面をラビング処理したポリイミド膜を各々用い
た。また、コレステリック液晶１４にはＰＣＨ系のＴＮ
液晶にカイラル剤を添加しヘリカルピッチを０．２〜
０．８μｍに調整した正の誘電率異方性を持つカイラル
ネマティック液晶を用いた。この際セルギャップは１０
μｍとした。

【００１６】この結果、電界非印加時にはヘリカル軸が
基板界面にほぼ垂直なプレーナ配向したコレステリック
相となり、基板界面から液晶内に入射した光に対し円偏
光フィルタとして働いた。この場合、右旋性カイラル剤
を添加した場合は、左円偏光のみを透過し、左旋性カイ
ラル剤を添加した場合は、右円偏光のみを透過すること
ができた。

【００１７】図１（Ａ）は右旋性のカイラル剤を添加し
た、右旋性カイラルネマティック液晶を用いて作製した
液晶セルのに電界非印加時に、信号光１０として右円偏
光を入射した状態を示す。入力用光ファイバ１７から入
射された右円偏光１０は、液晶１４層で反射し出力用の
光ファイバ１８に入力される。

【００１８】図１（Ｂ）は、液晶セル１５に２０Ｖの交
流電圧を印加し、コレステリック−ネマティク相転移が
生じた状態を示す。液晶分子の長軸が基板界面に対して
垂直になり、ヘリカル構造が解けて、ホメオトロピック
配向のネマティク相となる。従って、入射した右円偏光
はそのまま透過し、出力用の光ファイバ３に入力され
る。このように、液晶セル１５に電圧を印加するかしな
いかで、出射導光路としての出力用光ファイバ１８と出
力用光ファイバ１９との間で光路を変更することができ
た。

【００１９】上記実施例では、右旋性カイラルネマティ
ック液晶を用いたが、左旋性カイラルネマティック液晶
を用いても、また、カイラルネマティック液晶の代わり
にコレステリック液晶を用いても光路切替の原理に何も
変わるところはない。

【００２０】また、負の誘電率異方性を持つ液晶を用い
て、ホメオトロピック配向した液晶セルを用いてもよ
い。この場合は、電界非印加時にはネマティク相となっ
ており、電圧を印加するとネマティク−コレステリック
相転移を生じコレステリック相に変化する。即ち、円偏
光の反射と透過の電圧に対する関係は前述の説明と逆に
なるが、光路切替の原理が同じである。

【００２１】また、一方これらの相転移を生じさせる力
として、電界以外に磁界を用いることも可能である。さ
らに、２周波駆動用のカイラルネマティック液晶あるい
はコレステリック液晶を用いれば、周波数を変化させる
ことで相転移を生じしめることができ切替の高速化も可
能である。

【００２２】なお、本実施例では入出射用導光路として
光ファイバを用いたが、これに限ることはなく空間ビー
ムや各種の光導波路でもよい。

【００２３】（実施例２）図２は本発明に係る光スイッ
チの別の実施例を説明する構成図である。前述した実施
例１では入力する信号光は円偏光である必要があった
が、本実施例はその制約を除去し偏光無依存の光スイッ
チを提供する。

【００２４】図中、２１は入射導光路である入力用の光
ファイバ、２２及び２３は出射導光路である出力用の光
ファイバ、２４は液晶セルでこれは一部にミラー２５
ａ、２５ｂを有する同一厚さのガラス基板２６からな
る。２７は透明電極、２８は配向膜、２９はコレステリ
ック液晶あるいはカイラルネマティック液晶を各々図示
している。

【００２５】本実施例に使用する材料は、実施例１に使
用したものと同じであり、コレステリック相の円偏光フ
ィルタ効果、ネマティク相の光透過性、コレステリック
−ネマティク相転移特性も実施例１と同じであるが、液
晶セル２４内の光路が異なる。

【００２６】図２（Ａ）は、右旋性コレステリック相の
場合の液晶セル２４内の光路を示す。同図に示すよう
に、入射導光路２１から出射された任意の偏光状態の光
３１は、液晶層で右円偏光３２と左円偏光３３に分離さ
れ、右円偏光３２は反射し左円偏光３３は透過する。反
射した右円偏光３２は、基板裏面に設置されたミラー２
５ａで反射するが、このとき円偏光の回転方向が逆転し
左円偏光３４となる。同様に透過した左円偏光３３もミ
ラー２５ｂで反射して右円偏光３５となる。左右円偏光
３４、３５は、再び液晶層に入射され、ここで右円偏光
３５は反射し、左円偏光３４は透過する。このとき両円
偏光は合波され初期の偏光状態を保持した光となって出
射導光路２２に導かれ、導光路２１と導光路２２が結合
される。

【００２７】図２（Ｂ）は、液晶セルに電圧を印加して
コレステリック−ネマティク相転移を起こし、液晶層を
ネマティク相にした場合を示す。入射導光路２１から出
射された任意の偏光状態の光３１は、液晶層を透過して
ミラー２５ｂで反射し、再び液晶層を透過して出射導光
路２３に導かれ、導光路２１と導光路２３が結合され
る。以上説明したように、本実施例の構成をとれば、実
施例１の構成にミラーを付加するだけで偏波無依存の光
スイッチを実現できる。

【００２８】（実施例３）図３は、本発明に係る光スイ
ッチの別の実施例であって、前述した図２に示す実施例
２を応用して２つの入力光を切り替える構成法を示す。
図３中、４１、４２はそれぞれ入射導光路である入力用
の光ファイバで液晶セル２４に対して対称の位置に設置
されている。４３及び４４は出射導光路である出力用の
光ファイバであり、実施例２の出力用の光ファイバ２
２、２３と同一位置にある。

【００２９】図３（Ａ）は液晶セル非印加時の液晶層が
コレステリック層の場合で、入力用の光ファイバ４１か
ら入射した任意の偏光状態の光３１ａは、実施例２で説
明したように円偏光分離した後ミラー２５ａで反射して
出力用の光ファイバ４３に導かれる。一方、入力用の光
ファイバ４２から入射した任意の偏光状態の光３１ｂも
同様に円偏光分離した後ミラー２５ｂで反射して出力用
の光ファイバ４４に導かれる。

【００３０】次に、図３（Ｂ）に示すように、液晶セル
に印加し、液晶層を相転移してネマティク相とすると、
入力用の光ファイバ４１から入射した光３１ａは、実施
例２で説明したように液晶層を透過し、ミラー２５ｂで
反射して出力用の光ファイバ４４に導かれる。一方、入
力用の光ファイバ４２から入射した光３１ｂも同様にミ
ラー２５ａで反射して出力用の光ファイバ４３に導かれ
る。即ち、コレステリック−ネマティク相転移を起こす
ことによって２つの光路の入れ替えが出来ることが解
る。

【００３１】以上説明したように、本実施例では１入力
２出力あるいは２入力２出力の光路切替形の光スイッチ
を示したが、この光スイッチを多段に組み合わせれば、
多入力多出力の光スイッチを実現できることは言うまで
もない。

【００３２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明は液晶セル
以外の光学部品が不要であり、光学部品との精密なアセ
ンブルも必要がない。また、入出射光の角度や、液晶材
料の特性に対する制限も従来技術に比べて極めて小さ
い。このように本発明は、少量の安価な構成部品で簡単
に実現できるため、量産化に適し、経済的な光スイッチ
を実現できる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の基本となる１入力、２出力形の光スイ
ッチの一実施例を説明する断面図である。

【図２】本発明の別の実施例を説明する構成図であり、
偏波無依存の光スイッチを提供する。

【図３】本発明の別の実施例であって、実施例２を応用
して２つの入力光を切り替える２入力、２出力の光スイ
ッチの構成図を示す。

【図４】従来の光スイッチの構成図である。

【符号の説明】

１０ 光スイッチ １１、２７ 透明電極 １２、２６ ガラス基板 １３、２８ 配向膜 １４、２９ 液晶 １５、２４ 液晶セル １６ 信号光 １７、２１、４１、４２ 入力用の光ファイバ １８、１９、２２、２３、４３、４４ 出力用の光ファ
イバ ２５ａ，２５ｂ ミラー ３１、３１ａ，３１ｂ 任意の偏光状態の光 ３２、３５ 右円偏光 ３３、３４ 左円偏光

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 対向する表面に透明電極を有した二枚の
   基板間に、カイラルネマティック液晶あるいはコレステ
   リック液晶を狭持してなる液晶セルと、 当該液晶セルに信号光を入射する第一の導光路と、 前記液晶セルからの反射光及び透過光を取り出す位置に
   配置された第二の導光路及び第三の導光路とを少なくと
   も具備してなり、 前記透明電極間の電界または磁界を変化させてコレステ
   リック−ネマティク相転移を制御することによって、 前記第一の導光路から入射した信号光を第二の導光路と
   第三の導光路との間で切り替えることを特徴とする光ス
   イッチ。
2. 【請求項２】 請求項１記載の光スイッチにおいて、 前記液晶セルがコレステリック相の場合は、前記液晶セ
   ルに入射した光の反射光は第一の円偏光であり、かつ透
   過光は第二の円偏光であって、該第一の円偏光を第二の
   円偏光に変換して、前記液晶セルに再入射する手段と、
   前記液晶セルを透過した第二の円偏光を第一の円偏光に
   変換して、前記液晶セルに再入射する手段とを具備して
   なり、該再入射された第一および第二の円偏光は前記液
   晶セル内で合波されて出射されることを特徴とする光ス
   イッチ。